UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA MARINA LOCKS FRECCIA
ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DE ALTERNATIVAS DE GERAÇÃO PARA SUPRIR O FORNECIMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA DA
PONTE ANITA GARIBALDI, EM LAGUNA/SC.
Tubarão 2018
UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA MARINA LOCKS FRECCIA
ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DE ALTERNATIVAS DE GERAÇÃO PARA SUPRIR O FORNECIMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA DA
PONTE ANITA GARIBALDI, EM LAGUNA/SC.
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Universidade do Sul de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Civil.
Prof. Gil Félix Madalena (Orientador)
Tubarão 2018
Dedico este trabalho aos meus pais e familiares que sempre me apoiaram nesta caminhada e, também, a Deus que me iluminou para chegar até aqui.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente, agradecer a Deus que permitiu que tudo isso acontecesse ao longo da minha vida e por ter me dado saúde e força para superar as dificuldades.
À minha família e amigos que sempre acreditaram no meu potencial e me deram forças para enfrentar os obstáculos encontrado.
Aos professores da Universidade do Sul de Santa Catarina, UNISUL, por todo conhecimento e aprendizado repassado para seus alunos ao longo da vida acadêmica.
Ao Orientador Gil Félix Madalena, por todo apoio e disponibilidade ao longo da elaboração deste trabalho.
Aos colegas de trabalho que me apoiaram para a realização deste trabalho, em especial ao meu chefe, Engenheiro Fabricio Carlos Gabriel de Oliveira, por compreender quando estive ausente.
Por fim, a todos familiares e amigos que direta ou indiretamente, contribuíram para a conclusão deste sonho.
“Escolha sempre o caminho que pareça o melhor, mesmo que seja o mais difícil; o hábito brevemente o tornará fácil e agradável” (Pitágoras).
RESUMO
Quando o assunto é produção de energia elétrica e limpa, as energias eólica e solar ganham destaque em virtude do mínimo impacto causado ao meio ambiente na sua construção e instalação. O Brasil possui um alto índice de radiação solar que se destaca no cenário mundial, mas não usufrui desse bem inesgotável. Bem como o potencial eólico que, no Sul brasileiro tem trazido investidores para região. Neste contexto, este estudo de caso, tem como objetivo fazer um comparativo de viabilidade técnica e econômica para a implantação de painéis fotovoltaicos ou aerogeradores eólicos acoplados na lateral da ponte Anita Garibaldi – localizada no município de Laguna/SC – através de um estudo de caso exploratório. Para a completa realização do documento, foi realizado orçamento em fornecedores, para, por conseguinte, obter o tempo de retorno financeiro desse investimento, atendendo a métodos como o Pay-back simples e descontado, Valor Presente Líquido, Taxa Mínima de Atratividade e Taxa Interna de Retorno. Sendo assim, foi possível analisar a viabilidade e tempo de retorno do capital investido na implantação do projeto proposto.
ABSTRACT
When it comes to the production of clean and electric energy, wind and solar energy are highlighted due to the minimal impact caused to the environment in its construction and installation. Brazil has a high level of solar radiation that stands out in the world scenario, but does not enjoy this inexhaustible good. As well as the wind potential that, in the South of Brazil, has brought investors to the region. In this context, this case study aims to make a technical and economic feasibility comparison for the implementation of photovoltaic panels or wind turbines coupled on the side of the Anita Garibaldi Bridge - located in the city of Laguna / SC - through an exploratory case study. For the complete realization of the document, a budget has been made in suppliers, in order to obtain the time of financial return of this investment, considering methods such as simple and discounted Payback, Net Present Value, Minimum Attractiveness Rate and Internal Rate of Return. Thus, it was possible to analyze the feasibility and time of return of the capital invested in the implementation of the proposed project.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Doca de Laguna/SC ... 20
Figura 2: Ponte Anita Garibaldi em Laguna/SC ... 23
Figura 3: Médias Anuais, Laguna ... 25
Figura 4: Rosa dos Ventos para Laguna ... 25
Figura 5: Mapa do potencial eólico Brasileiro ... 26
Figura 6: Mapa do potencial solar em Laguna/SC ... 28
Figura 7: Exemplos de turbinas eólicas de três pás ... 31
Figura 8: Exemplo de aerogerador de eixo vertical ... 33
Figura 9: Princípio da conversão da energia do vento em energia elétrica ... 34
Figura 10: Média da radiação solar anual ... 36
Figura 11: Estrutura de uma célula monocristalina ... 38
Figura 12: Célula de Silício Policristalino ... 38
Figura 13: Estrutura de uma célula de silício amorfo ... 39
Figura 14: Composição do Painel Fotovoltaico ... 40
Figura 15: Sistema fotovoltaico centralizado ... 41
Figura 16: Sistema fotovoltaico distribuído ligado à rede ... 42
Figura 17: Sistema Fotovoltaico Isolado ... 43
Figura 18: Esquema de interligação com a rede elétrica ... 44
Figura 19: Localização geográfica ... 50
Figura 20: Aerogerador eólico proposto ... 52
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1: Comparação de consumo e geração de energia ... 53 Gráfico 2: Comparação de consumo e geração de energia ... 55 Gráfico 3: Fluxo de caixa ... 57
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Médias mensais e anuais de velocidade de ventos em Laguna/SC. ... 24
Tabela 2: Irradiação Solar Diária Média Mensal (kWh/m².dia) da rede INMET ... 27
Tabela 3: Componentes direta, difusa e global da irradiação solar para o plano inclinado para a cidade de Laguna/Santa Marta-SC. ... 28
Tabela 4: Dados do consumo e custo de energia elétrica da cabeceira norte ... 51
Tabela 5: Dados do consumo e custo de energia elétrica cabeceira sul ... 52
Tabela 6: Resumo dos custos ... 56
Tabela 7: Resultados do fornecedor ... 58
LISTA DE ABREVEATURAS E SIGLAS
ANNEL – Agência Nacional de Energia Elétrica ART – Anotação de Responsabilidades Técnica CA – Corrente Alternada
CC – Corrente Contínua
CELESC – Centrais Elétricas de Santa Catarina
CREA – Conselho Regional de Engenharia e Agronomia
CRESESB – Centro de Referências para as Energias Solar e Eólica Sergio de S. Brito FC – Fluxo de Caixa
ICMS – Impostos sobre Circulação de Mercadorias e Serviços IEA – Agência Internacional de Energia
INMET – Instituto Nacional de Meteorologia NBR – Norma Brasileira
PIS – Programa de Integração Social SC – Santa Catarina
TIR – Taxa Interna de Retorno TMA – Taxa Mínima de Atratividade
UNISUL – Universidade do Sul de Santa Catarina VPL – Valor Presente Líquido
DNIT – Departamento Nacional de Infraestrutura e Transporte DEINFRA – Departamento Estadual de Infraestrutura
LISTA DE SÍMBOLOS
% – Porcentagem GW – Giga Watt GWh – Giga Watt hora
GWp – Giga Watt de potência
Kg/m² – Quilograma por metro quadrado kW – Kilo Watt
kWh – Kilo Watt hora kWp – Kilo Watt pico m² – Metro quadrado mm – Milímetro MW – MegaWatt MWh – Mega Watt hora
MWp – Mega Watt de potência R$ – Reais
V – Volt W – Watt Wp – Watt pico
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 17 1.1 JUSTIFICATIVA ... 18 1.2 OBJETIVOS ... 18 1.2.1 Objetivo geral ... 18 1.2.2 Objetivos específicos ... 18 2 REVISÃO DE LITERATURA ... 19
2.1 LAGUNA – SANTA CATARINA ... 19
2.1.1 Contexto sócio histórico ... 19
2.1.2 Ponte Anita Garibaldi – Problema e solução ... 21
2.1.3 Potencial eólico na região ... 23
2.1.4 Potencial solar na região ... 27
2.2 ALTERNATIVAS DE GERAÇÃO ... 29
2.2.1 Energia eólica... 29
2.2.1.1 Histórico da energia eólica no Brasil... 29
2.2.1.2 Tipos de Rotores ... 31
2.2.1.2.1 Eixo Horizontal ... 31
2.2.1.2.2 Eixo Vertical ... 32
2.2.1.3 A produção de energia através das turbinas eólicas ... 33
2.2.2 Energia Solar ... 34
2.2.2.1 Histórico de energia solar no Brasil ... 35
2.2.2.2 As células fotovoltaicas ... 36
2.2.2.3 Tipos de Células Fotovoltaicas ... 37
2.2.2.3.1 Silício monocristalino ... 37
2.2.2.3.2 Silício policristalino ... 38
2.2.2.3.3 Silício amorfo (a-Si) ... 39
2.2.2.3.4 Telureto de cádmio (CdTe) ... 39
2.2.2.4 Painel Fotovoltaico ... 39
2.2.2.5 Sistemas fotovoltaicos ... 41
2.2.2.5.1 Sistema Centralizado ... 41
2.2.2.5.2 Sistema Distribuído ... 42
2.2.2.5.3 Sistema Isolado ... 42
2.4 VIABILIDADE ECONÔMICA DE PROJETOS ... 45
2.4.1 TMA – Taxa Mínima de Atratividade ... 45
2.4.2 Pay-back ... 45
2.4.3 VPL – Valor Presente Líquido ... 46
2.4.4 TIR – Taxa Interna de Retorno ... 46
3 METODOLOGIA DA PESQUISA ... 48
3.1 AMOSTRA ... 49
3.2 COLETA DE DADOS ... 49
3.3 LOCAL DO ESTUDO ... 49
3.3.1 Consumo com energia elétrica ... 51
3.3.2 Característica do gerador eólico proposto ... 52
3.3.2.1 Fornecedor A ... 53
3.3.3 Característica do sistema fotovoltaico proposto ... 54
3.3.3.1 Fornecedor B ... 54
4 RESULTADOS E ANÁLISE DE DADOS ... 56
4.1 VIABILIDADE ECONÔMICA ... 56
4.2 ANÁLISE ECONÔMICA ... 58
5 CONCLUSÃO ... 59
REFERÊNCIAS ... 60
APÊNDICES ... 62
1 INTRODUÇÃO
Nas últimas décadas, em países desenvolvidos e emergentes, houve um aumento de consumo de energia global, devido ao crescimento acelerado da tecnologia e no número de habitantes. Em consequência desses fatores, os impactos ambientais relacionados a geração de energia elétrica tem ganhado destaque na mídia e na vida da população em geral. Entretanto, estudos buscam novas alternativas para evitar impactos ambientais e tornar geradores de energia mais eficientes e sustentáveis.
É de conhecimento de todos que o Brasil possui altos índices de radiação e não usufrui desse bem inesgotável. Em uma reportagem publicada em abril de 2018 pelo jornal Estadão, o país possui uma incidência solar de 5,4 quilowaat-hora/metro quadrado – mais do que Estados Unidos, China e Alemanha. Porém, em termos de capacidade instalada de geração fotovoltaica o Brasil tem apenas um gigawatts.
Além da energia solar, o Brasil é favorecido em termos de ventos, que se caracterizam por uma presença duas vezes superior à média mundial e por uma volatilidade de apenas 5%, o que dá maior previsibilidade ao volume a ser produzido, conforme a Câmara de Comercialização de Energia Elétrica (CCEE).
A ponte Anita Garibaldi construída no município de Laguna, no estado de Santa Catarina, apresenta um impasse econômico em relação ao pagamento de energia elétrica. Através desse contratempo, este documento tem, por finalidade, fazer um comparativo entre duas alternativas de geração para suprir o fornecimento de energia elétrica da estrutura. Entre as alternativas, destacamos a energia eólica e solar, cujo potencial se destaca na região. A ideia deste trabalho, é instalar placa solar fotovoltaica ou geradores eólicos de baixa potência acoplados na lateral da estrutura.
Para compreender melhor este estudo, foram explicados no decorrer do trabalho o contexto histórico da cidade, o impasse econômico da ponte Anita Garibaldi seguido do estudo de seus potenciais. Posteriormente, foi realizado uma breve explicação sobre cada tipo de energia (eólica e solar) e gerador a ser utilizado.
Através da escolha da placa solar fotovoltaica e do gerador eólico, foi avaliado o custo de implantação, a viabilidade do projeto e o tempo de retorno do capital investido na instalação, usando como parâmetros comparativos os valores das faturas de energia elétrica da estrutura estudada.
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1.1 JUSTIFICATIVA
No Brasil, de acordo com a Empresa de Pesquisa Energética, a principal fonte de eletricidade advém de hidrelétricas. E, nos últimos tempos os níveis dos reservatórios está entre os mais baixos da história. Diante desse cenário, o principal atingido é o consumidor, pois devido aos baixos níveis de água, os fornecedores, em especial o governo federal, aumenta o valor das tarifas de energia para objetivando, além de maior lucro, reduzir o consumo. Entretanto, engenheiros, construtores e financiadores buscam novas alternativas para suprir o consumo de cada região através de energia limpa.
Um estudo, baseado na ponte Anita Garibaldi, localizada no município de Laguna no estado de Santa Catarina, apresenta alternativas para a produção de energia através da captação de luz solar e seu potencial eólico. Estando em um dos principais cartões postais do estado, a ponte enfrenta um problema econômico relacionado à falta de pagamento da energia elétrica, pois segundo a prefeitura, o pagamento é de responsabilidade do Departamento Nacional de Infraestrutura de Transporte (DNIT) por se tratar de uma estrutura localizada em rodovia federal. Porém, o DNIT afirma que o pagamento deveria ser de responsabilidade da prefeitura, pois a ponte se encontra no município.
Através de pesquisas, descrevemos a questão principal desse estudo, que é: Quais as alternativas de geração podem suprir o fornecimento de energia elétrica da ponte Anita Garibaldi em Laguna/SC, em estudo realizado no ano de 2018.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo geral
Analisar através de estudo de viabilidade técnica e econômica as alternativas de geração para suprir o fornecimento de energia elétrica da ponte Anita Garibaldi em Laguna/SC.
1.2.2 Objetivos específicos
a) Identificar alternativas de energia a ser implantada na ponte;
b) Descrever o estudo do índice de radiação solar e potencial eólico na região; c) Determinar a viabilidade técnica e econômica para a implantação;
2 REVISÃO DE LITERATURA
Nos últimos anos, o planeta vem sofrendo alterações climáticas e um dos principais fatores é o uso de combustíveis fósseis em larga escala. Dessa forma, o investimento em energias renováveis tem se tornado fundamental, visto que seria uma melhor forma de controlar a emissão dos gases de efeito estufa, substituindo os combustíveis fósseis. Neste capítulo, além do contexto histórico do objeto em estudo, falaremos sobre duas fontes de energias renováveis que vem se destacando no cenário mundial quando o assunto é sustentabilidade: a utilização de energia eólica e solar.
A estrutura em estudo, localizada no munícipio de Laguna/SC, enfrenta um problema econômico em relação ao fornecimento de energia elétrica. De acordo com o site NSC Total, o custo da iluminação da ponte é, em média, R$ 15 mil reais ao mês e está acumulada desde setembro de 2015. A dívida da prefeitura da cidade com a Celesc, ultrapassa a casa dos R$ 500 mil reais. Com base nesse déficit, temos como objetivo, apresentar um comparativo de viabilidade técnica e econômica sobre a aplicação de duas alternativas de energia para, por conseguinte, liquidar este débito.
2.1 LAGUNA – SANTA CATARINA
Neste item, apresentaremos, de forma sucinta, o contexto histórico da cidade e a construção da ponte Anita Garibaldi. As informações foram encontradas no site da prefeitura do município, com o auxílio do trabalho de conclusão de curso sobre a viabilidade do uso dos ventos como fonte geradora de energia com vistas a suprir as necessidades da ponte Anita Garibaldi, dos autores Cassio Oliveira de Souza e Luiz Fernando da Silva Meneghel, citada nas referências.
2.1.1 Contexto sócio histórico
O conflito entre as metrópoles portuguesa e espanhola durante os séculos XVII e XVIII, resultou no Tratado de Tordesilhas, ocorrido em 1494. A partir desse conflito, uma extensa colônia passava a se formar, culminando no nascimento de Laguna. De 1500 a 1700, mais de 100 mil portugueses se deslocaram para o Brasil- Colônia. Portugal temia invasões espanholas no Sul do Brasil, principalmente, em Santa Catarina e Rio Grande do Sul, áreas estratégicas para se chegar ao Rio da Prata. O litoral permitia o abastecimento de água e
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alimentos às embarcações. Na disputa, a necessidade de alargar as fronteiras da colônia Brasil. Contudo, somente no século XIX, foram dados os primeiros passos para uma ocupação mais efetiva do território, com políticas de povoamento para o Sul.
No ano de 1839, o porto de Laguna viria transformar a pacata vila em cenário revolucionário, apresentado na Figura 1. O italiano Giuseppe Garibaldi tomou a cidade e em 29 de julho de 1839 e proclamou a República Juliana.
Figura 1: Doca de Laguna/SC
Fonte: Ronaldo Amboni (2018)
Pelo porto de Laguna chegavam os imigrantes, esperavam suas embarcações na beira da praia e nos trapiches e seguiam para o interior. No começo, era pelas lagoas e rios e mais tarde através da estrada de ferro Dona Tereza Cristina (iniciada sua construção em 1880 e aberta ao tráfego em 1884).
Na segunda metade do século XIX, com a exploração do carvão, Laguna assumiu a 4ª (quarta) colocação no estado quanto a movimentação portuária. O comércio de representações aliado as indústrias da região enriquece ainda mais as companhias de navegação, lucrando também no transporte.
Foi na virada do século, pelo enriquecimento natural da população, que Laguna testemunhou o desenvolvimento urbano e intelectual mais significativo desde a sua fundação. Surgiram nesta época o teatro Sete de Setembro (1858), a tipografia do primeiro jornal (1878), o hospital (1879), o primeiro hotel na Rua da Praia, o Cine Central, a iluminação pública a petróleo (1891) e o antigo Mercado Público (1893). Este último, incendiado na primeira metade do século XX. Entre os anos de 1930 a 1950 aconteceram grandes transformações. Surge o primeiro automóvel, ônibus urbano e ruas calçadas.
Após a 2ª Guerra Mundial com a organização do porto de Imbituba, melhor localizado para receber navios maiores e de maior cabotagem, Laguna perde competitividade. A crise não foi maior devido a concentração de serviços comerciais, financeiros e públicos que Imbituba ainda não possuía.
No final da década de 50, Laguna decaiu economicamente pela diminuição da atividade portuária, pelo enfraquecimento do polo comercial, e fracasso na tentativa de industrialização. Outro fator determinante para o declínio foi o transporte rodoviário. A construção da BR-101 e abertura ao tráfego da ponte rodoviária da Cabeçuda, deslocou o polo econômico da região sul de Laguna, para outros municípios.
Entretanto, na década de 70, a mesma abertura da BR-101 trouxe a possibilidade de uma nova atividade econômica. A exploração turística do Balneário do Mar Grosso, bairro oposto ao Centro Histórico, impôs uma implantação urbana diferenciada dos outros bairros da cidade que se expandiram espontaneamente. O crescimento do número de turistas de veraneio estimulou o crescimento imobiliário na praia e, como consequência, no centro histórico da cidade.
Em 1985, após estudos baseados no levantamento o Iphan, propôs o tombamento de uma fração da cidade, considerada por suas características e atributos, centro fundamental para a manutenção da identidade e da paisagem urbana tradicional do sítio histórico da cidade.
2.1.2 Ponte Anita Garibaldi – Problema e solução
Com a implantação da ponte Anita Garibaldi, o trânsito da BR-101, região sul, foi resolvido, porém, a estrutura ainda gera polêmica. O principal fator da discussão é para saber o responsável pelo pagamento da conta de energia elétrica, se a prefeitura de Laguna ou o Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes (DNIT). Uma reportagem publicada no site NSC Total, em 27 de janeiro de 2018, informou que:
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Por duas vezes a Justiça decidiu que a responsabilidade pelo custo da iluminação da ponte, R$ 15 mil ao mês, em média, é do poder público local. A Procuradoria da prefeitura então acionou o Superior Tribunal Federal, e o assunto foi parar em Brasília. A Procuradoria-Geral da República (PGR), em primeira análise, deu parecer favorável a Laguna, mas o recurso ainda não foi votado pelo ministro Gilmar Mendes.
Ainda de acordo com a reportagem, a cidade arrecada cerca de R$200 mil ao mês com a Contribuição para Custeio do Serviço de Iluminação Pública. O procurador Adriano Massih argumenta que, caso a Justiça entenda em definitivo que a conta é do município, são os moradores da cidade que pagarão por uma iluminação utilizada por milhares de pessoas. Massih ainda justifica:
“O parecer entende que não é o município, que o Dnit tem que arcar, que a responsabilidade é da União. Entre os vários argumentos, um dos mais fortes que temos utilizado é que o interesse público justificando a execução da ponte não foi do município, mas da União. Pela ponte, do Sul para cá, ocorre o escoamento de toda produção de grãos que vem do Rio Grande do Sul e de outros países. Não foi o cidadão lagunense que escolheu que a ponte fosse construída, a lagoa é um bem da União, a BR-101 também”
O DNIT explica que não arrecada tributos em rodovias federais, e por isso não teria como bancar a conta de energia nesses trechos. Mesmo não havendo pagamento da energia elétrica, uma liminar obtida pelo Ministério Público de Laguna determina que a Celesc mantenha a energia ligada. Gerson Bittencourt, gerente financeiro da Celesc de Tubarão, lembra que as primeiras faturas foram pagas pelo consórcio que realizou a obra, mas desde agosto de 2015 ninguém mais assumiu.
É de conhecimento de todos, que se trata de uma obra que é hoje um dos maiores cartões postais do país, e um grande atrativo ao turismo para o município de Laguna. Para a Polícia Rodoviária Federal (PRF), a iluminação é questão de segurança pois o movimento no trecho é constante. Além de funcional, a ponte impressiona pela engenharia, especialmente no período noturno quando as lâmpadas e a iluminação cênica ficam acesas.
Figura 2: Ponte Anita Garibaldi em Laguna/SC
Fonte: Ronaldo Amboni (2018)
Baseado nesse impasse econômico, este trabalho visa apresentar alternativas de geração através da captação de energia eólica e solar – cujo município destaca-se por esses potenciais – para quitação do débito. Para tal, se faz necessário o conhecimento da capacidade dos ventos e da radiação solar da região.
2.1.3 Potencial eólico na região
Na tabela 1 e na figura 3, apresentadas abaixo, mostram as médias mensais e anuais de velocidades de vento para Laguna nos anos de 1999 a 2002. As médias mensais encontradas estão ente 4,77 e 11,58 m/s, as anuais, 6,85 e 8,53 m/s, com média de 7,80 m/s, e 7,91 m/s para os anos mais significativos. (DALMAZ,2007).
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Tabela 1: Médias mensais e anuais de velocidade de ventos em Laguna/SC. Velocidade do Vento Laguna
1999 2000 2001 2002 Médias Mensais (m/s) Janeiro (σ) - 6,9 7,75 7,06 (4,11) (4,18) (4,18) Fevereiro (σ) - 7,15 5,86 9,62 (3,93) (3,17) (4,94) Março (σ) - 7,69 6,36 6,76 (4,82) (3,82) (3,94) Abril (σ) - 7,27 6,52 6,63 (4,06) (3,42) (4,24) Maio (σ) - 6,85 6,93 4,77 (3,80) (3,52) (3,10) Junho (σ) - 8,32 11,58 - (5,18) (6,79) Julho (σ) - 7,11 11,06 - (4,29) (5,02) Agosto (σ) - 8,22 9,09 - (4,47) (4,97) Setembro (σ) 7,84 9,73 9,96 - (4,10) (4,97) (4,13) Outubro (σ) 9,3 7,18 10,05 - (4,44) (4,10) (5,84) Novembro (σ) 8,45 8,33 8,61 - (4,68) (4,72) (4,92) Dezembro (σ) 8,5 7,75 6,47 - (4,30) (4,31) (3,59) Média Anual (σ) 8,53 7,71 8,12 6,85 (4,38) (4,40) (4,45) (4,08) Fonte: (DALMAZ, 2007)
Figura 3: Médias Anuais, Laguna
Fonte: (DALMAZ, 2007)
Com suas médias anuais sempre bem acima dos 6m/s, Laguna Possui um excelente potencial e apresenta ventos predominantes de nordeste, próximo a 25% dos dados nesta direção para os dois anos com dados completos. Porém, apenas para os anos de 1999 e 2000, haviam dados de direção disponíveis, sendo que em 1999, apenas 33% do ano está representado, enquanto para o ano de 2000, tem-se 100% de dados. (ESTUDO DO POTENCIAL EÓLICO E PREVISÃO DE VENTOS PARA GERAÇÃO DE ELETRICIDADE EM SANTA CATARINA, DALMAZ,2007 p.80).
Figura 4: Rosa dos Ventos para Laguna
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Uma reportagem divulgada no ano de 2015 no site Jornal de Santa Catarina, aborda sobre a atração de investidores para Laguna devido ao seu potencial eólico.
(...) com capacidade de produzir 1.268MW por ano, o que poderia atender uma população de 3 milhões de habitantes, algo como Recife e Porto Alegre juntas, duas empresas miram a construção de parques eólicos em Laguna. A RDS Energias Renováveis, com sede em Florianópolis, tem quatro projetos no Estado. Além do Complexo Eólico Lagunar, em Laguna, há projetos em Imaruí, Bom Jardim da Serra e Água Doce. O de Laguna é o maior deles, com 568 MW de potência e investimento previsto de R$2,4 bilhões. A intenção é construir 249 turbinas eólicas em uma área de 5 mil hectares.
Figura 5: Mapa do potencial eólico Brasileiro
2.1.4 Potencial solar na região
Os valores apresentados na tabela 2 trata-se da irradiação solar diária mensal segundo os dados da rede do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET).
Tabela 2: Irradiação Solar Diária Média Mensal (kWh/m².dia) da rede INMET Irradiação Solar Diária Mensal
(kWh/m².dia) Mês Laguna / Santa Marta - SC jul/14 3,29 ago/14 4,78 set/14 3,79 out/14 6,77 nov/14 6,62 dez/14 6,47 jan/15 5,19 fev/15 6,48 mar/15 5,45 abr/15 4,29 mai/15 3,68 jun/15 3,51 Média Anual 5,03
Fonte: ANÁLISE DO RECURSO SOLAR DA REGIÃO SUL DE SANTA CATARINA A PARTIR DE DISTINTAS REDES DE DADOS METEOROLÓGICOS, p.170.
Os dados apresentados na tabela 3 trata-se das componentes direta, difusa e global de Laguna/Santa Marta-SC. Entende-se por radiação direta, a radiação solar total que não sofre nenhum desvio causado pela atmosfera; difusa, a radiação que alcança a superfície da Terra a partir de todas as direções e global, compreende-se como a soma das duas.
Observa-se que nos meses de verão, há um maior aproveitamento de irradiação solar global para os três planos inclinado. No plano sem inclinação, o valor anual médio de irradiação apresentou valor de 4,28 kWh/m² e os valores de irradiação direta e difusa 2,15 kWh/m² e 2,13kWh/m², respectivamente. Sendo a componente direta com a maior contribuição. (ANÁLISE DO RECURSO SOLAR DA REGIÃO SUL DE SANTA CATARINA A PARTIR DE DISTINTAS REDES DE DADOS METEOROLÓGICOS)
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Tabela 3: Componentes direta, difusa e global da irradiação solar para o plano inclinado para a cidade de Laguna/Santa Marta-SC.
Mês 0º Inclinação 20º Inclinação 30º Inclinação
Direta Difusa Global Direta Difusa Global Direta Difusa Global
Jan 2,50 2,83 5,32 2,41 2,76 5,19 2,09 2,84 4,99 Fev 2,37 2,75 5,11 2,49 2,75 5,26 2,34 2,74 5,14 Mar 2,21 2,22 4,42 2,29 2,52 4,82 2,15 2,68 4,88 Abr 1,93 1,96 3,88 2,60 1,98 4,60 2,65 2,07 4,77 Mai 1,76 1,49 3,25 2,37 1,74 4,12 2,61 1,76 4,41 Jun 1,29 1,32 2,61 1,82 1,58 3,40 2,06 1,60 3,69 Jul 1,62 1,42 3,03 2,33 1,59 3,94 2,52 1,67 4,22 Ago 1,85 1,63 3,47 2,26 1,94 4,21 2,44 1,95 4,43 Set 1,82 2,06 3,88 2,14 2,19 4,34 2,31 2,11 4,47 Out 2,48 2,45 4,92 2,54 2,63 5,19 2,26 2,83 5,15 Nov 2,87 2,63 5,49 2,44 3,01 5,48 2,39 2,79 5,24 Dez 3,15 2,85 5,99 2,80 2,95 5,78 2,61 2,80 5,48
Fonte: ANÁLISE DO RECURSO SOLAR DA REGIÃO SUL DE SANTA CATARINA A PARTIR DE DISTINTAS REDES DE DADOS METEOROLÓGICOS, p.175.
Através do atlas global solar, vimos que Laguna possui uma taxa de 1300(kWh/kWp) a 1500(kWh/kWp), apresentada na figura 6.
Figura 6: Mapa do potencial solar em Laguna/SC
Fonte: Global Solar Atlas (2018).
Sendo assim, é possível a implantação de painéis fotovoltaicos para a captação de energia.
2.2 ALTERNATIVAS DE GERAÇÃO
Para conhecer o empreendimento proposto, devemos entender as alternativas de geração a serem adotadas para o fornecimento da energia elétrica, seguido do modelo de cada uma. A ideia do projeto é instalar geradores eólicos ou placas solares fotovoltaicas acopladas na ponte.
2.2.1 Energia eólica
Para o ministro de estado de minas e energia, José Jorge de Vasconcelos Lima, o aproveitamento de energia eólica no mundo cada vez mais consolida-se como uma alternativa viável e limpa. Esse tipo de energia compõe complementarmente matrizes energéticas de muitos países e, uma vez que os ventos oferecem uma opção de suprimento no século XXI, em conjunto com outras fontes renováveis, poderá conciliar as necessidades de uma sociedade industrial moderna com os requisitos de preservação ambiental. Os números que indicam a crescente utilização de energia eólica, em várias partes do mundo, comprovam a maturidade da tecnologia que envolve e dos aspectos socioeconômicos que lhes são pertinentes. Consideradas a sua configuração geográfica, as suas condições climáticas e a necessidade e oportunidade de ampliar e revigorar a nossa matriz energética, para o Brasil mostra-se absolutamente adequado e estratégico conduzir esforços para acompanhar essa tendência e implementar efetivamente a tecnologia da geração de energia eólica (ATLAS DO POTENCIAL EÓLICO BRASILEIRO, 2001).
2.2.1.1 Histórico da energia eólica no Brasil
Segundo a Associação Brasileira de Energia Eólica (ABEEólica), a energia eólica no Brasil teve seu primeiro indício em 1992 com o início da operação comercial do primeiro aerogerador instalado no Brasil, que foi resultado de uma parceria entre o Centro Brasileiro de Energia Eólica (CBEE) e a Companhia Energética de Pernambuco (CELPE), através de financiamento do instituto de pesquisas dinamarquês Folkecenter. Essa turbina eólica, de 225 kW, foi a primeira a entrar em operação comercial na América do Sul, em 1992, localizada no arquipélago de Fernando de Noronha (Pernambuco).
Durante a crise energética de 2001, houve a tentativa de incentivar a contratação de empreendimentos de geração de energia eólica no país. Criou-se então, o Programa
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Emergencial de Energia Eólica – PROEÓLICA. Esse programa tinha como objetivo a contratação de 1.050 MW de projetos de energia eólica até dezembro de 2003. Já se falava, então, da complementaridade sazonal do regime de ventos com os fluxos hidrológicos nos reservatórios hidrelétricos. Esse Programa, no entanto, não obteve resultados e foi substituído pelo Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica, o PROINFA. (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA EÓLICA, 2018).
De acordo com os dados do Global Wind Energy Council (GWEC), no ano de 2017, o Brasil ocupou a 8º posição no ranking mundial de capacidade instalada dessa fonte de energia. A presidente executiva da Associação Brasileira de Energia Eólica (ABBEólica), Elbia Gannoum, afirmou que 2017 também foi um período em que os benefícios da fonte eólica ficaram ainda mais presentes. No Nordeste, por exemplo, a fonte eólica foi a salvação num ano de secas de reservatórios das hidrelétricas, chegando a suprir mais de 60% da energia da região. No total, a produção de energia eólica de 2017 apurada pela CCEE – Câmara de Comercialização de Energia Elétrica foi 26,5 % superior à de 2016 e, pela primeira vez, a fonte chegou a atingir dois dígitos na matriz de produção, representando 10% da energia do país em agosto e 11% em setembro, meses que fazem parte da chamada “safra dos ventos”.
Baseado no boletim anual de geração eólica da ABEEólica, considerando todas as fontes de geração de energia elétrica, em 2017, foram instalados 6,84 GW de potência, cujo crescimento foi liderado principalmente pelas fontes hidrelétrica e eólica, que representaram 47,86% e 29,62%, respectivamente. Acrescido de 2,03 GW de nova capacidade instalada, o total eólico permitiu para a fonte uma participação de 8,10% da matriz elétrica brasileira.
Ainda de acordo com a CCEE, O Brasil é favorecido em termos de ventos, que se caracterizam por uma presença duas vezes superior à média mundial e por uma volatilidade de apenas 5%, o que dá maior previsibilidade ao volume a ser produzido. Além disso, como a velocidade costuma ser maior em períodos de estiagem, é possível operar usinas eólicas em sistema complementar com usinas hidrelétricas, de forma a preservar a água dos reservatórios em períodos de poucas chuvas. As estimativas constantes do Atlas do Potencial Eólico Brasileiro de 2010, elaborado pela Eletrobrás, apontam para um potencial de geração de energia eólica de 143,5 mil MW no Brasil, volume superior à potência instalada total no país nesse mesmo ano. As regiões com maior potencial medido são Nordeste, Sudeste e Sul.
2.2.1.2 Tipos de Rotores
A classificação dos aerogeradores costuma ser realizada através da posição do eixo de seu rotor.
2.2.1.2.1 Eixo Horizontal
Os aerogeradores de eixo horizontal são constituídos de uma a três pás ou multipás (acima de três pás). Esta disposição necessita de mecanismo que permita o posicionamento do eixo do rotor em relação à direção do vento, para um melhor aproveitamento global, principalmente em locais onde há mudança de direção do vento.
O modelo mais apropriado para essa geração de energia são os rotores de três pás, pois constituem um bom compromisso entre coeficiente de potência, custo e velocidade de rotação. Assim como, uma maior estabilidade comparada com uma turbina de duas pás, possibilitando a construção de aerogeradores de mais de 100 metros de altura e com capacidade de geração de energia que pode chegar a 5MW (megawatts). Já os rotores multipás são mais utilizados para bombeamento de água, como não são muito altos, têm uma eficiência baixa (30%), pois os ventos que apanham são muito fracos. (EVOLUÇÃO ENERGIA EÓLICA)
Figura 7: Exemplos de turbinas eólicas de três pás
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Quanto ao porte, as turbinas eólicas podem ser classificadas da seguinte forma: pequenas – potência nominal menor que 500 kW; médias – potência nominal entre 500 kW e 1000 kW; e grandes – potência nominal maior que 1 MW, apresentada respectivamente na figura 3. Nos últimos anos, as maiores inovações tecnológicas foram a utilização de acionamento direto (sem multiplicador de velocidades), com geradores síncronos e novos sistemas de controle que permitem o funcionamento das turbinas em velocidade variável, com qualquer tipo de gerador. A tecnologia atual oferece uma variedade de máquinas, segundo a aplicação ou local de instalação. Quanto à aplicação, as turbinas podem ser conectadas à rede elétrica ou destinadas ao suprimento de eletricidade a comunidades ou sistemas isolados. Em relação ao local, a instalação pode ser feita em terra firme ou off-shore (ANEEL, 2018).
2.2.1.2.2 Eixo Vertical
A principal vantagem das turbinas de eixo vertical é não necessitar de mecanismos de direcionamento, sendo bastante evidenciados nos aerogeradores por simplificar bastante os mecanismos de transmissão de potência. Tendem a ser mais seguros, mais fáceis de construir, podem ser montados mais perto do solo e lidam muito melhor com condições de turbulência. Além disso, neste tipo de aerogerador não é necessário o dispositivo de orientação da turbina face ao vento, tal como acontece nos aerogeradores de eixo horizontal. Possuem também uma velocidade de arranque mais baixa do que a dos aerogeradores de eixo horizontal, o que lhes dá vantagem em condições de vento reduzido.
Figura 8: Exemplo de aerogerador de eixo vertical
Fonte: Evolução Energia Eólica, 2018.
Como desvantagem apresentam o fato de suas pás, devido ao movimento de rotação terem constantemente alterados os ângulos de ataque e de deslocamento em relação a direção dos ventos, gerando forças resultantes alternadas, o que além de limitar o seu rendimento, causa vibrações acentuadas em toda sua estrutura. Eles não são tão eficientes como os aerogeradores de eixo horizontal. Isso acontece porque o vento junto ao solo é de mais fraca intensidade, o que implica um menor rendimento deste tipo de aerogeradores e a torre fica sujeita a elevados esforços mecânicos.
2.2.1.3 A produção de energia através das turbinas eólicas
Para entendermos como utilizaremos essa fonte de energia para suprir a dívida da ponte, é imprescindível entender o conceito de produção de energia através das turbinas
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eólicas. Segundo Milton de Oliveira, turbinas eólicas são equipamentos que absorvem parte da energia cinética do vento, convertendo-a em energia mecânica, que é convertida em energia elétrica através de um gerador elétrico acoplado. Essa conversão segue duas etapas: 1) primeiramente na turbina, que remove a porção da energia cinética disponível para conversão em energia mecânica, e 2) no gerador, que recebe a energia mecânica e a converte em energia elétrica, que é então transmitida para a rede da concessionária. Essa operação é mostrada na Figura 9. (FUNDAMENTOS DA ENERGIA EÓLICA, PINTO, Milton de Oliveira, 2012).
Figura 9: Princípio da conversão da energia do vento em energia elétrica
Fonte: Fundamentos de energia eólica (Pinto, Milton de Oliveira)
2.2.2 Energia Solar
Conforme a Câmara de Comercialização de Energia Elétrica (CCEE), a energia solar é aquela energia obtida pela luz do Sol que pode ser captada com painéis solares. É uma fonte de vida e de origem da maioria das outras formas de energia na Terra. Essa fonte de energia chega ao planeta nas formas térmica e luminosa. Sua irradiação na superfície da Terra é suficiente para atender milhares de vezes o consumo mundial de energia, porém, não atinge de maneira uniforme toda a crosta terrestre. Depende da latitude, da estação do ano e de condições atmosféricas como nebulosidade e umidade relativa do ar.
Todas as formas de energia que conhecemos, derivam da energia solar. É a energia do sol que altera o estado físico da água, fazendo com que essa migre e possa ser represada e aproveitada nas usinas hidrelétricas. O aquecimento das massas de ar provoca os ventos, que são aproveitados nos aerogeradores dos parques eólicos. É a energia solar, absorvida na fotossíntese, que dá vida às plantas utilizadas como fonte de energia de
biomassa. Até mesmo o petróleo, que vem de restos de vegetação e animais pré-históricos, também é derivado do sol, pois este deu a energia necessária ao aparecimento da vida na terra em passadas. Podemos através desse ponto de vista, considerar que todas as formas de energia são renováveis, infelizmente não em escala humana. As formas de energia renovável citadas acima são as que se renovam a cada dia, permitindo um desenvolvimento sustentável da vida e da sociedade humana. A energia solar que chega à Terra em um ano é muito maior que o consumo humano de energia no mesmo período. Infelizmente todo esse potencial não é aproveitado. O aproveitamento artificial da energia solar pode ser feito de três modos:
Arquitetura Bioclimática; Efeito Fototérmico;
Efeito Fotovoltaico. (OS SISTEMAS DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA, p.11)
No referente trabalho, adotaremos o efeito fotovoltaico para a captação de energia.
2.2.2.1 Histórico de energia solar no Brasil
O Brasil, conforme MME (2017), possuía, ao final de 2016, 81 MWp de energia solar fotovoltaica instalados, o que representa cerca de 0,05% da capacidade instalada total no país. Do total de 81 MWp existentes em 2016, 24 MWp correspondiam à geração centralizada e 57 MWp à geração distribuída.
A baixa utilização da energia solar no Brasil chama mais atenção quando verificamos as condições favoráveis ao desenvolvimento da fonte no país. O Brasil, de acordo com EPE (2012), possui altos níveis de insolação e grandes reservas de quartzo de qualidade, que podem gerar importante vantagem competitiva para a produção de silício com alto grau de pureza, células e módulos solares, produtos esses de alto valor agregado.
De acordo com Pereira et al. (2006), a média anual de irradiação global apresenta uma boa uniformidade no Brasil, com médias relativamente altas em todo o território. Os valores de irradiação solar global incidente em qualquer região do território brasileiro (1500-2.500) são superiores aos da maioria dos países europeus, como Alemanha (900-1250 Wh/m²), França (900- 1650 Wh/m²) e Espanha (1200-1850 Wh/m²), locais onde projetos de aproveitamentos solares são amplamente disseminados.
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Figura 10: Média da radiação solar anual
Fonte: Pereira et al. (2006)
2.2.2.2 As células fotovoltaicas
Células fotovoltaicas são dispositivos capazes de transformar a energia luminosa, proveniente do Sol ou de outra fonte de luz, em energia elétrica. Uma célula fotovoltaica pode funcionar como geradora de energia elétrica a partir da luz, ou com um sensor capaz de medir a intensidade luminosa. (CCBS Energia)
Os sistemas fotovoltaicos podem ser instalados em qualquer local que possua radiação solar suficiente. Por serem dispositivos sólidos, implicam em manutenções menores e durante o seu funcionamento não produzem ruído acústico ou eletromagnético. Pelo fato de
não dependerem de combustíveis, não emitem gases tóxicos ou outro tipo de poluição ambiental. (OS SISTEMAS DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA).
2.2.2.3 Tipos de Células Fotovoltaicas
Dentre os tipos de células fotovoltaicas, as mais comuns são as de silício monocristalino, policristalino e filmes finos de silício. Este material empregado na fabricação de células fotovoltaicas é extraído do mineral quartzo.
O cristal de quartzo pode ser obtido na natureza em ocorrências ou jazidas, ou por crescimento hidrotérmico (cultured quartz) na indústria de cristais cultivados. Informações sobre as reservas mundiais de quartzo são escassas. Sabe-se, no entanto, que o Brasil é detentor de 95% das reservas mundiais, o equivalente a 78 milhões de toneladas. No estado do Pará estão as maiores reservas medidas do País, cerca de 64% das jazidas, seguida de l7% em Minas Gerais, l5% em Santa Catarina e 2% na Bahia. (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA – p.3 Relatório Técnico 37 Perfil do Quartzo, 2009).
“A purificação do silício não é feita em território nacional. O Brasil exporta a matéria bruta, e depois importa o produto final industrializado para uso, principalmente, na indústria eletrônica e microeletrônica para produção de chips, circuitos eletrônicos, transistores, entre outros componentes. São utilizadas lascas de alta pureza ou pó de quartzo. (Curso Básico de Energia Solar Fotovoltaica FC SOLAR, 2013). ” (Apud FIDELIS, 2015, p.40).
2.2.2.3.1 Silício monocristalino
Estas células são obtidas através de barras cilíndricas de silício monocristalino produzidas em fornos especiais. As mesmas são obtidas por corte das barras em forma de pastilhas quadradas ou redondas finas (0,4 – 0,5 mm de espessura). A sua eficiência na conversão de luz solar em eletricidade é superior a 12%. Ou seja, a eficiência que incide sobre a célula é transformada em energia elétrica. (PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DA CÉLULA FOTOVOLTAICA)
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Figura 11: Estrutura de uma célula monocristalina
Fonte: PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DA CÉLULA FOTOVOLTAICA, p.18
2.2.2.3.2 Silício policristalino
Estas células são produzidas a partir de blocos de silício obtidos por fusão de silício puro em moldes especiais. Uma vez nos moldes, o silício esfria lentamente e solidifica-se. Neste processo, os átomos não se organizam num único cristal. Forma-se uma estrutura policristalina com superfícies de separação entre os cristais. Sua eficiência na conversão de luz solar em eletricidade é ligeiramente menor do que nas de silício monocristalino. ((PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DA CÉLULA FOTOVOLTAICA, p.18)
Figura 12: Célula de Silício Policristalino
2.2.2.3.3 Silício amorfo (a-Si)
São células obtidas por meio da deposição de camadas muito fina de silício sobre superfícies de vidro ou metal. Apresentam custo e rendimento elétrico mais reduzido. Sua eficiência varia entre 5% e 7%. (PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DA CÉLULA FOTOVOLTAICA, p.18)
Figura 13: Estrutura de uma célula de silício amorfo
Fonte: PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DA CÉLULA FOTOVOLTAICA, p.19
2.2.2.3.4 Telureto de cádmio (CdTe)
Com o mesmo objetivo que levou ao desenvolvimento do a-Si, de produzir painéis fotovoltaicos de baixo custo, a tecnologia de filmes finos de CdTe vem sendo desenvolvida principalmente para aplicações arquitetônicas, bem como para utilização em produtos de consumo como calculadoras e outros. Os custos de produção do CdTe são comparáveis aos do a-Si e a sua eficiência de conversão ligeiramente maior; porém esta tecnologia utiliza elementos raros e/ou tóxicos, o que vem representando uma limitação em alguns mercados.
2.2.2.4 Painel Fotovoltaico
O painel fotovoltaico é um conjunto que tem como base principal as células fotovoltaicas. Ele é uma junção de diversos componentes para a captação da radiação solar. As células individuais são conectadas através de uma faixa condutora fina. Esta faixa é colocada de cima para baixo de forma que todas as células fiquem interligadas, criando assim
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um circuito. Esta série de células é coberta com uma lâmina de vidro, geralmente laminado, com tratamento antiaderente e antirreflexo, prendido por uma moldura de alumínio. Na parte traseira do painel, é fixado dois condutores originados de uma caixa preta chamada de caixa de junção. Para fazer a conexão dos painéis fotovoltaicos é utilizado cabos, formando uma série de painéis. E por fim esta série é ligada por cabos de corrente continua até o inversor solar. (PORTAL SOLAR, 2016).
Figura 14: Composição do Painel Fotovoltaico
Fonte: Portal Solar, p. 1, (2016).
Como parte mais importante de um painel solar, as células fotovoltaicas são formadas geralmente de silício, um composto de átomos carregados de elétrons. Os painéis mais comuns utilizam dois tipos deferentes de silício, para a geração de cargas positivas e negativas. Para a geração de cargas negativas, o silício é combinado com boro, e para gerar cargas positivas, o silício é combinado com fósforo. (SOLAR, 2016).
Esta combinação acaba produzindo mais elétrons positivos e menos negativos, e na atração dos dois, fazendo um envelopamento de silícios carregados negativamente ao redor do silício carregado positivamente, permitindo assim a célula reagir com o sol fornecendo energia elétrica através do efeito fotovoltaico.
2.2.2.5 Sistemas fotovoltaicos
Com o auxílio do trabalho de conclusão de curso sobre “O uso de energia solar fotovoltaica como alternativa à redução da fatura de energia elétrica em blocos universitários” das autoras Fabiana Luzia Pereira e Marina Alves Mendes, compomos este item.
Segundo TOLMASQUIM (2016), a implantação de sistemas fotovoltaicos pode ser classificada de três formas distintas, sendo elas: centralizado, distribuído ou isolado, conforme descrição a seguir.
2.2.2.5.1 Sistema Centralizado
O Sistema Centralizado pode também ser chamado de Usina de Energia Solar Fotovoltaica, pois, se trata de uma central com diversas placas solares em uma determinada área, comandada por centrais, que monitoram todos os equipamentos, onde toda energia solar convertida em eletricidade é jogada diretamente na rede de distribuição. (SHAYANI, 2006).
Figura 15: Sistema fotovoltaico centralizado
Fonte: Eletricidade global, p. 1, (2013).
Os equipamentos utilizados para esse sistema fotovoltaico, são: Painel Solar Fotovoltaico;
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2.2.2.5.2 Sistema Distribuído
O Sistema Distribuído também chamado de Sistema Conectado à Rede, é o sistema que está diretamente conectado à rede elétrica de distribuição das concessionárias, onde a energia gerada através do sistema fotovoltaico é utilizada na alimentação da própria residência e a energia excedente, não utilizada, é jogada na rede gerando um crédito elétrico que pode ser descontado no valor da fatura elétrica mensal ou até mesmo ser utilizado pela própria residência em horários de baixa eficiência do sistema solar. (SHAYANI, 2006).
Figura 16: Sistema fotovoltaico distribuído ligado à rede
Fonte: Solar Brasil, p. 1 (2015).
Os equipamentos utilizados para esse sistema fotovoltaico, são: Painel Solar Fotovoltaico;
Inversor de corrente CC/CA (corrente contínua/corrente alternada); Medidor bidirecional.
2.2.2.5.3 Sistema Isolado
O Sistema Isolado é indicado para ser usado em regiões onde a energia convencional não tem alcance, como residências isoladas, estações de bombeamento de água, postes de iluminação, estações replicadoras de sinal. Podendo ser classificado em Híbridos, onde o sistema trabalha conectado à rede elétrica e com banco de baterias para armazenagem
de baterias, ou autônomos (Puros) onde o sistema utiliza apenas o banco de baterias para armazenamento desta energia elétrica. (PORTAL SOLAR, 2014).
Figura 17: Sistema Fotovoltaico Isolado
Fonte: Solar Brasil, p. 1 (2015).
Os equipamentos utilizados para esse sistema fotovoltaico, são: Painel Solar Fotovoltaico;
Controlador de carga; Baterias;
Inversor de corrente CC/CA. 2.3 INTERLIGAÇÃO COM A REDE ELÉTRICA
De acordo com a figura 18, retirado do Manual de Procedimentos da Celesc onde apresenta o diagrama orientativo, onde se aplica o sistema que será utilizado neste processo. O mesmo informa como deve ser a ligação tanto do sistema fotovoltaico tanto do Aerogerador.
No sistema Fotovoltaico a corrente gerada nos painéis solares é continua (CC), para que seja um sistema On-Grid, deve-se atender as normas da Celesc, onde informa que a
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corrente deve ser alternada e atender aos níveis de tensão (380/220V). Com isso o sistema deve conter um inversor no qual sua finalidade é transformar a corrente continua em corrente alternada. Porém, antes de ser ligado diretamente à rede, é necessário um padrão de entrada que serve como proteção para rede da Celesc caso ocorra alguma anomalia no sistema Fotovoltaico.
Para o sistema contendo um aerogerador, a corrente gerada é alternada, porém não atende as normas da Celesc pois a energia gerada é através do deslocamento do ar em contato com as pás do aerogerador, esse vento nem sempre é de forma continua, contendo diferentes velocidades, dessa forma a corrente gerada pelo aerogerador necessita passar por um conversor de corrente alternada para corrente continua e logo após um inversor, para transformar essa corrente continua em corrente alternada para atender as normativas.
Figura 18: Esquema de interligação com a rede elétrica
2.4 VIABILIDADE ECONÔMICA DE PROJETOS
Para determinar a viabilidade do projeto, é necessária uma análise de investimentos, isso porque auxilia os profissionais de diversas áreas para as decisões financeiras finais. Entretanto, avaliar a viabilidade econômica de um projeto, é necessário fazer uma análise de alternativa de investimentos. Ou seja, estudar os fluxos de caixa-desembolsos de capital (saídas de caixa) e retornos de investimentos (entradas de caixa). (REBELATTO, 2004).
Em conformidade com as características do projeto, utilizaremos para base de cálculo a Taxa Mínima de Atratividade (TMA), o Pay-bakc simples e descontado, o Valor Presente Líquido (VPL) e a Taxa interna de Retorno, para analisar qual alternativa de geração será mais viável para a obtenção de energia elétrica.
2.4.1 TMA – Taxa Mínima de Atratividade
A taxa mínima de atratividade (TMA), é quando o empresário realiza um investimento em qualquer ramo de atividade empresarial vigente e estipula uma taca mínima a ser lucrada. “Para uma empresa, a TMA seria equivalente ao seu custo de capital, que é a taxa de retorno mínima sobre seus investimentos de maneira que ela pudesse continuar com o mesmo nível de atividades indefinidamente”. (MIRANDA, 2011, p. 40).
2.4.2 Pay-back
O método Pay-back é considerado um dos métodos mais simples de análise de investimento. Segundo Miranda (2011), o Pay-back nada mais é do que calcular o número de períodos ou quanto tempo o investidor irá precisar para recuperar o investimento realizado.
Para realizar o cálculo do período de Pay-back simples de um projeto, basta adicionar os valores dos fluxos de caixa recebidos, período a período, até que a resultado desses valores seja igual ao valor de investimento inicial. O período correspondente a última parcela da soma será o período de Pay-back buscado.
Já para o cálculo de período de Pay-back descontado é semelhante ao simples, porém, utiliza-se o adicional de uma taxa de desconto – TMA, onde o valor é pré-estabelecido pelo investidor – anterior à soma dos fluxos de caixa, onde é atualizado cada parcela antes de subtrair do investimento inicial. (PEREIRA, Fabiana. MENDES, Marina. 2018.)
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2.4.3 VPL – Valor Presente Líquido
É uma das técnicas mais usadas na análise de investimentos. Compreende em atualizar o fluxo de caixa e comparar este valor atualizado com o investimento inicial. Além disso, consiste em trazer para a data zero, usando como taxa de desconto a TMA do projeto, todos os fluxos de caixa do investimento inicial e é calculado através e uma série de fluxos de caixa (FC), pagamentos e recebimentos, com base em uma taxa de custo de oportunidade conhecida e subtraindo o investimento inicial.
Fórmula 1 – Cálculo para o Valor Presente Líquido 𝑉𝑃𝐿 = 𝐹𝐶0+ 𝐹𝐶1 (1 + 𝑖)1+ 𝐹𝐶2 (1 + 𝑖)2+ ⋯ + 𝐹𝐶𝑛 (1 + 𝑖)𝑛 Fonte: MIRANDA, 2011, P. 47. Onde:
VPL = Valor Presente Líquido FC = Fluxo de Caixa
i = Taxa de Juros
De acordo com os critérios de aceitação do método de VPL, aceita-se o projeto com VPL > 0, entre vários projetos se escolhe aquele que possuir maior VPL, recusa-se o projeto quando apresentar resultado de VPL < 0, e aquele que apresentar VPL = 0 é indiferente, pois não resulta ganho ou prejuízo. (MIRANDA, 2011).
2.4.4 TIR – Taxa Interna de Retorno
A taxa Interna de Retorno (TIR), é o método que zera o valor presente líquido dos fluxos de caixa de um projeto, isto é, todas as estradas e todas as saídas de caixa do empreendimento se igualam. (MIRANDA,2011).
Fórmula 2 – Cálculo da Taxa Interna de Retorno 0 = −𝐹𝐶0+ 𝐹𝐶1 (1 + 𝑇𝐼𝑅)1+ 𝐹𝐶2 (1 + 𝑇𝐼𝑅)2+ ⋯ + 𝐹𝐶𝑛 (1 + 𝑖)𝑛 Fonte: MIRANDA, 2011, P. 51. Onde: FC = Fluxo de Caixa
TIR = Taxa Interna de Retorno
Obter a TIR de um investimento é achar o percentual de remuneração que o investimento oferece. Como critérios de decisão da TIR para projetos, escolhe-se os projetos que tenham a TIR ≥ TMA, quando há vários projetos em questão, escolhe-se aquele com maior TIR, desde que obedeça ao primeiro critério.
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3 METODOLOGIA DA PESQUISA
Para a realização desta pesquisa, foi adotado o método de abordagem qualitativo, de nível exploratório e que traz como método de procedimento o estudo de caso monográfico. Para sua composição, foi utilizado como base o trabalho de conclusão de curso sobre “O uso de energia solar fotovoltaica como alternativa à redução da fatura de energia elétrica em blocos universitários” das autoras Fabiana Luzia Pereira e Marina Alves Mendes, por se tratar de uma abordagem similar.
Visto que o principal instrumento de coleta de dados foi bibliográfico e documental, foi imprescindível no processo de desenvolvimento a presença, observação e intervenção da pesquisadora. Esse tipo de abordagem, caracterizada como qualitativa, averigua a versatilidade ao processo de estudo e permite a intervenção dos envolvidos, quando necessário, para garantia da integridade dos resultados em relação ao problema, objetivos e bibliografia determinados. Possibilita, também, apresentar suas impressões do processo subjetivas e característica dos mesmos, mas, sempre em conformidade com o delineamento inicial determinado.
[...] se desenvolve numa situação natural, é rico em dados descritivos, obtidos no contato direto do pesquisador com a situação estudada, enfatiza mais o processo do que o produto, se preocupa em retratar a perspectiva dos participantes, tem um plano aberto e flexível e focaliza a realidade de forma complexa e contextualizada. (ARAÚJO E OLIVEIRA, 1997, p. 11).
O nível foi classificado como exploratório devido ao tema não ser de proximidade da pesquisadora e, por se tratar de um estudo de caso, a busca por referências bibliográficas foi uma adversidade encontrada, pois não há quantidade de conteúdo consideráveis.
O método de procedimento adotado foi estudo de caso monográfico. Estes procedimentos são naturalísticos e conferem o delineamento do objeto em estudo, isolando-o das interferências históricas e permitindo uma análise particular. O presente documento, trata-se de uma estrutura rodoviária, transformada em “caso” da pretrata-sente investigação.
O tipo de questão de pesquisa proposta e a extensão e o controle dos eventos determinaram a escolha do método de procedimento. É indiscutível que, a presença dos pesquisadores junto ao objeto de estudo é condição essencial para a fidedignidade dos dados coletados e estudados.
3.1 AMOSTRA
Amostra é a parte do universo da pesquisa. Nesse estudo ela pode ser referida a todas as obras rodoviárias que apresentam esse impasse econômico. Porém, para esse documento, a amostra se refere a ponte Anita Garibaldi localizada no município de Laguna/SC.
A análise, discussão e interpretação dos dados atingidos foram desempenhadas pela pesquisadora, segundo entendimento da teoria descrita e perante sua compreensão subjetiva. Portanto, neste documento, segundo Malhotra (2011), entende-se por uma amostra não probabilística, ou seja, uma amostra escolhida intencionalmente.
3.2 COLETA DE DADOS
Após um planejamento que sucedeu na delimitação do projeto, os dados para investigação foram coletados e analisados conforme as seguintes etapas:
a) Através de referencial bibliográfico específico: Todos os artigos, livros e sites foram escolhidos em função da sua cientificidade, ou seja, resgatados apenas de bases de dados científicos e analisados por especialistas no assunto.
b) Por meio de coleta de dados verídicos e demonstrativos: De acordo com histórico de consumo de energia elétrica, da estrutura em estudo, assim como, com o levantamento físico-financeiro para instalação dos painéis fotovoltaicos e geradores eólicos, garantindo a fidedignidade dos resultados.
c) Observação direta dos pesquisadores: Fundamental instrumento de coleta pois permite dados não previstos em instrumentos anteriores e, ao mesmo tempo, possibilitam a subjetividade dos pesquisadores em relação aos dados existentes e a realidade posta, sempre fundados na teoria definida previamente.
3.3 LOCAL DO ESTUDO
A ponte Anita Garibaldi, estrutura em estudo, foi construída sobre a lagoa de Imaruí, no município de Laguna, entre os bairros de Cabeçuda e Bananal, no Sul do estado de Santa Catarina.
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Figura 19: Localização geográfica
Fonte: Google Maps, (2018).
A ponte Anita Garibaldi foi construída com a finalidade de melhorar o congestionamento, principalmente no veraneio. Além de promover o desenvolvimento turístico e o escoamento da produção industrial.
A estrutura possui 2,815 quilômetros de comprimento e com uma largura total de 25,3 metros, com duas faixas de trafego e mais acostamento para cada sentido da rodovia. A ponte possui 400 metros do vão central estaiados, suspensos por 60 cabos de aço, presos em dois mastros que faz a sustentação central, distribuídos em 15 cabos para cada lado.
Ao longo da rodovia foram instalados 182 postes de iluminação, com 64 pontos de luz no estaio. Cada unidade tem 12 metros de altura e foram instalados a cada 30 ou 36 metros, dependendo do tamanho do vão. As luminárias são equipadas com luzes de LED , com 275 Watts de potência cada. Já as luminárias das torres foram afixadas nos 52 cabos de sustentação no centro da estrutura e oito pontos instalados nos cabos laterais.
3.3.1 Consumo com energia elétrica
A energia elétrica consumida na ponte é fornecida pela CELESC Distribuição S.A a energia recebida através de redes de distribuição elétrica e é responsável por alimentar toda a iluminação. A fatura de energia elétrica utilizada para o desenvolvimento do estudo engloba a cabeceira norte e cabeceira sul.
De acordo com análise aos dados da fatura de energia, obtidos através de contato com a rede de distribuição, os gastos com energia elétrica no período de um ano, entre outubro de 2017 a setembro de 2018, foram gerados um consumo total de 239.585,49 kWh e um débito de R$ 163.545,77.
As tabelas 4 e 5 apresentam os gastos com energia mês a mês durante o ano nas cabeceiras norte e sul, respectivamente.
Tabela 4: Dados do consumo e custo de energia elétrica da cabeceira norte CONSUMO ANUAL 2017-2018
CABECEIRA NORTE
Mês/Ano Consumo Mensal
(kWh) Custo Mensal out/17 11.601,77 R$ 7.894,25 nov/17 11.869,59 R$ 7.883,90 dez/17 11.379,78 R$ 7.591,13 jan/18 11.357,77 R$ 7.474,36 fev/18 11.331,05 R$ 7.554,98 mar/18 10.192,48 R$ 7.081,87 abr/18 11.461,34 R$ 7.541,44 mai/18 11.240,55 R$ 7.722,08 jun/18 11.876,36 R$ 8.065,97 jul/18 11.739,15 R$ 7.960,77 ago/18 12.085,05 R$ 7.801,20 set/18 11.682,78 R$ 7.936,28 Total: 137.817,65 R$ 92.508,23 Média Mensal: 11.484,80 R$ 7.709,02 Fonte: CELESC, 2018.
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Tabela 5: Dados do consumo e custo de energia elétrica cabeceira sul CONSUMO ANUAL 2017-2018
CABECEIRA SUL
Mês/Ano Consumo Mensal (kWh) Custo Mensal
out/17 9.939,22 R$ 6.721,71 nov/17 10.182,58 R$ 6.720,76 dez/17 8.776,69 R$ 5.993,05 jan/18 8.889,41 R$ 5.965,81 fev/18 7.465,94 R$ 5.364,16 mar/18 6.538,51 R$ 4.978,53 abr/18 7.998,46 R$ 5.570,34 mai/18 8.378,86 R$ 5.978,36 jun/18 8.509,27 R$ 6.066,87 jul/18 6.256,37 R$ 4.950,58 ago/18 8.923,86 R$ 5.997,21 set/18 9.908,67 R$ 6.730,16 Total: 101.767,83 R$ 71.037,54 Média Mensal: 8.480,65 R$ 5.919,80 Fonte: CELESC, 2018.
3.3.2 Característica do gerador eólico proposto
O aerogerador adotado foi o Skystream (figura 20) de 2.4kW de potência, com capacidade de gerar 400 kWh/mês, pronto para conexão à rede (Grid-Tie). O mesmo, foi encontrado no site da empresa energia pura.
Figura 20: Aerogerador eólico proposto
Este gerador acompanha sistema de monitoramento Wi-Fi, com vida útil superior a 20 anos. Possui peso de 77 kg, com o diâmetro do rotor de 3,72m e sua alimentação é feita através do inversor 120-240 v, 50-60 Hz. O sistema de frenagem é eletrônico com controle regulados, as hélices têm molde triplamente injetado e o vento limite é de 63m/s (226 km/h). A empresa fornece garantia de 5 anos.
3.3.2.1 Fornecedor A
Para realizar o este orçamento, foi contatado com empresas via e-mail solicitando orçamento de geradores eólicos de baixa potência. Por se tratar de um sistema novo, houve dificuldade para obter o orçamento e empresas não responderam conforme o modelo solicitado. Desta maneira, a estudante simulou orçamento através de pesquisas e dados encontrados em sites citado nas referências.
O sistema eólico para implantar na Ponte Anita Garibaldi, é composto por 50 aerogeradores eólicos, sendo 28 na cabeceira norte e 22 na cabeceira sul. Com produção mensal de aproximadamente 20.000 kWh/mês, conforme gráfico 1.
Gráfico 1: Comparação de consumo e geração de energia
Fonte: Dados da pesquisa, 2018.
O valor do aerogerador proposto possui preço unitário de R$35.000,00, o mesmo já está incluso equipamentos e mão-de-obra especializada para a implantação. Com os cálculos realizados, os aerogeradores instalados totalizariam R$ 1.750.000,000.
00.000,00 05.000,00 10.000,00 15.000,00 20.000,00 25.000,00
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
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3.3.3 Característica do sistema fotovoltaico proposto
Para formular o orçamento do sistema fotovoltaico, foram solicitados orçamentos em três empresas e para estudo, adotamos o que teve o menor valor proposto. A empresa optada forneceu, já inclusos nos valores do orçamento, equipamentos e mão-de-obra especializada para a implantação do sistema fotovoltaico, de acordo com a Resolução Normativa da ANEEL REN Nº 687/2015.
Figura 21: Placa fotovoltaica proposta
Fonte: Jinko, 2018.
3.3.3.1 Fornecedor B
O sistema fotovoltaico proposto pelo fornecedor A é composto por 600 placas de módulo fotovoltaicos de 340Wp, totalizando 204 kWp, contendo 3 inversores com potência de 60 kW. Estima-se que o sistema possa gerar 24.000 kWh mensais, ou seja, 288.000 kWh ao ano (gráfico 2). O que garante 100% do consumo de energia do cliente ao longo do ano.
